[发明专利]一种锂离子电池用片状锡碳复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子二次电池负极材料，属于化学电源领域，特别涉及一种片状锡碳复合材料及其制备方法。

背景技术

随着社会不断发展进步，全球进入了信息时代，移动电话、笔记本电脑、小型摄像机等已经成为日常生活中必不可少的用品。锂离子电池具有开路电压高，比能量密度大，循环寿命长，无污染，无记忆效应等诸多优点，正逐步代替传统电池，成为极有应用前景的新型能源材料。随着对锂电池功率及效率需求的不断提高，目前商用石墨负极材料的比容量已非常接近理论值(372mAh·g^-1)，进一步研究的空间不大，寻找新的非碳类材料作为代替品，以提高锂离子电池的比容量和循环性能成为亟待解决的问题。Sn、Sb、Si、Ge等及其化合物因与Li可形成合金而具有很高的比容量，该类材料还具有脱嵌锂电压低、与电解液的反应活性低等优点，是非常有发展前途的一类储锂负极材料。

但是这类合金负极在电化学脱嵌锂过程中存在严重的体积效应(>300％)，产生的机械应力容易使合金活性物质粉化，并迅速丧失与集流体的电接触，致使容量衰减，造成电极的电化学稳定性能下降，严重限制了此类合金负极材料的实际应用。锂离子电池性能的优劣主要取决于电极材料能量密度和循环稳定性能。对活性材料进行复合化设计是目前改善合金负极材料电化学性能的主要途径之一，引入具有一定柔韧性的导电介质，通过复合将体积效应分散减弱并且利用复合体内各组分的导电能力以增加电极的导电性，从而实现提高电池性能的目的。碳材料因其优越的导电性能和种类的多样性成为首选。

目前已有利用碳材料合成的多种形貌复合材料的报道，例如CN101202341A公开了一种用碳包覆合金纳米粒子的核壳结构的电极材料的制备方法，通过乳液聚合方法将酚醛树脂均匀地包覆合金纳米粒子然后高温碳化，得到核壳结构的复合材料。纳米合金粒子被具有良好导电性和一定膨胀收缩性的碳均匀牢固地包裹，在循环过程中体积膨胀得以缓冲，得到了储锂容量高、安全性优良以及循环性能优良的锂离子电池。CN101969113A公开了一种以石墨烯为基体水热生长二氧化锡纳米颗粒作为锂离子电池负极材料的制备方法。将循环性良好的石墨碳材料与高比容量的金属氧化物材料结合，充分利用两者各自的优势。尽管合成的复合材料形貌各异，但是循环过程中的电化学团聚仍不可避免，同时作为壳体的碳材料在经历长期循环，受体积膨胀应力作用容易会产生疲软现象，这些都会造成电池性能下降。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种可用于锂离子电池负极材料的片状锡碳复合材料及其制备方法，结合形貌设计和复合化设计两种途径，通过对热解产物的形貌可控设计，解决合金负极材料在脱嵌锂过程中的电化学团聚以及基体碳材料受应力而疲软失效等问题，获得循环性能更优越的负极材料。

一方面，本发明提供一种锂离子电池用片状锡碳复合材料，所述片状锡碳复合材料包括片状无定型碳基体和均匀分布在所述片状无定型碳基体中的球状颗粒，所述球状颗粒的粒径小于100nm。

相较于现有的锡碳复合材料，本发明的片状锡碳复合材料具有以下优点：

(1)纳米级活性颗粒周围被无定形碳保护，能够充分缓解体积膨胀产生的应力，从而保持电极的完整性，防止了电极材料的粉碎而丧失与集流体的电接触；

(2)纳米级高比容量的活性物质被高度均匀逐个分散在循环性良好的片状碳基体中，有效地抑制了活性颗粒在循环过程中的电化学团聚；

(3)引入碳材料进行体积补偿的同时兼顾形貌的可控设计，利用锡碳复合材料片状形貌整体特性，能够有效降低长期循环下碳基体层不断受到应力攻击而造成疲软失效；

(4)片状形貌的复合材料使得活性物质层内部具有更高的疏松程度，拥有更多的空间，有利于缓解体积效应，并为电解液能够更好的渗透活性层提供了通道。

另一方面，本发明提供一种上述锂离子电池用片状锡碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)在惰性保护气氛下向含有锡盐、碳材料前驱体和NaCl的混合溶液中逐滴加入还原剂，并不断搅拌2～3小时后蒸干溶剂得到粉体，其中所述锡盐与所述还原剂按照氧化还原计量比配比；

(2)将步骤(1)所得的粉体在惰性气氛下于700℃保温2小时进行碳化处理；

(3)将步骤(2)所得的产物分散于水中，离心洗涤后干燥，即制得所述片状锡碳复合材料。